(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板の機械加工によって形成された弁体と、
前記弁体が収容される有底の凹部が一端に配され、かつ前記凹部の底部から他端まで中心軸線に沿って貫通する第一微小流路が配された金属製の第一円柱部と、
前記中心軸線に沿って貫通して第二微小流路が配されて、前記弁体とともに前記凹部に圧入された金属製の第二円柱部と、
を備え、
前記弁体と対向して前記第一微小流路又は前記第二微小流路の端面に弁座が配されており、
前記弁体が、
プレス加工によって略半球状に滑らかに突出して形成されて前記弁体の中央に配され、前記弁座との接触の有無により前記第一微小流路と前記第二微小流路とを連通又は遮断するドーム部と、
該ドーム部と同心の円環状に形成されて前記ドーム部の径方向外方に離間して配され、前記第一円柱部及び前記第二円柱部に挟持される支持部と、
該支持部の円周方向に延びる第一弾性部、及び径方向に延びる第二弾性部を有して、前記ドーム部と前記支持部とに接続された接続部と、を備え、該第二弾性部は前記ドーム部と該第一弾性部の一端部とを連結するドーム部側の第二弾性部及び前記第一弾性部の他端部と前記支持部とを連結する支持部側の第二弾性部の２つの部材からなる
ことを特徴とするマイクロバルブ。
【請求項２】
前記弁座が、前記弁体と対向して前記第二微小流路の端部に配され、前記第一円柱部側への前記ドーム部の移動を一定範囲内で許容する小凹部が前記底部に配されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロバルブ。
【請求項３】
前記弁座が、前記第一微小流路の端部に配され、前記第二円柱部側への前記ドーム部の移動を一定範囲内で許容する小凹部が、前記弁体と対向する前記第二円柱部の端面に配されていることを特徴とする請求項２に記載のマイクロバルブ。
【請求項４】
前記弁体の表面に弾性層が配されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載のマイクロバルブ。
【請求項５】
前記弾性層は、親水処理がなされた金メッキ層からなることを特徴とする請求項４に記載のマイクロバルブ。
【請求項６】
前記金属板、前記第一円柱部、及び前記第二円柱部が、ステンレス又はチタンからなることを特徴とする請求項１から５の何れか一つに記載のマイクロバルブ。
【請求項７】
圧力室と、該圧力室と連通された少なくとも２つの微小流路と、前記微小流路上にそれぞれ配された請求項１から６の何れか一つに記載のマイクロバルブと、
を備えていることを特徴とするマイクロポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロバルブ及びマイクロポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
化学反応、生化学反応、溶媒抽出、気液分離、さらにはこれらに基づく微量成分の化学分析や非接触光学分析等では、微量の流体を輸送し、流量を高精度に制御する必要性から、１ｍｍ以下の大きさのマイクロバルブ及びマイクロポンプが使用されている。このような微小構造を実現するため、リソグラフィー等の微細加工技術によってガラス等の基板表面にマイクロバルブ及びマイクロポンプ構造を実現したものが多数提案されている（例えば、特許文献１参照。）
【０００３】
しかし、液体接触部にシリコン、ガラスが面している場合には、塩基性液体の送液に適さない。そのため、基板をＳＵＳ基板とし、表面処理によって耐性を向上させたものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００５−０１３９８０号公報
【特許文献２】特開２００６−１６１７７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来のマイクロバルブ及びマイクロポンプは、基板を接合した構造なので、流体の圧力や流量によっては十分な耐圧性が得られない。また、リソグラフィー等の基板の微細加工技術を要するので、工程が複雑かつ製造装置も高価である。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、十分な耐圧性を有してより大量かつ低コストで製造することができるマイクロバルブ及びマイクロポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係るマイクロバルブは、金属板の機械加工によって形成された弁体と、前記弁体が収容される有底の凹部が一端に配され、かつ前記凹部の底部から他端まで中心軸線に沿って貫通する第一微小流路が配された金属製の第一円柱部と、前記中心軸線に沿って貫通して第二微小流路が配されて、前記弁体とともに前記凹部に圧入された金属製の第二円柱部と、を備え、前記弁体と対向して前記第一微小流路又は前記第二微小流路の端面に弁座が配されていることを特徴とする。
【０００７】
この発明は、全体が金属からなり、第一円柱部に第二円柱部が圧入されて弁体が挟持されているので、弁体と弁座とが接触した閉状態にあって流体の漏れを好適に抑えることができる。
【０００８】
また、本発明に係るマイクロバルブは、前記マイクロバルブであって、前記弁体が、プレス加工によって略半球状に滑らかに突出して形成されて前記弁体の中央に配され、前記弁座との接触の有無により前記第一微小流路と前記第二微小流路とを連通又は遮断するドーム部と、該ドーム部と同心の円環状に形成されて前記ドーム部の径方向外方に離間して配され、前記第一円柱部及び前記第二円柱部に挟持される支持部と、該支持部の円周方向に延びる第一弾性部、及び径方向に延びる第二弾性部を有して、前記ドーム部と前記支持部とに接続された接続部と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
この発明は、第一弾性部の長さに応じて接続部の剛性を調節することができる。したがって、弁開時にドーム部が流体に押圧されて第一弾性部が弾性変形したときの弁座に対する移動量に対応した流路面積を好適に調節することができる。また、加工・組立誤差等によってドーム部の中心軸線と弁座の中心軸線とがずれたとしても、弁閉時にドーム部が弁座に押圧される際に第二弾性部が弾性変形して、弁座に対して両者の中心軸線が一致する方向にドーム部を自己整合させることができる。
【００１０】
また、本発明に係るマイクロバルブは、前記マイクロバルブであって、前記弁座が、前記弁体と対向して前記第二微小流路の端部に配され、前記第一円柱部側への前記ドーム部の移動を一定範囲内で許容する小凹部が前記底部に配されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るマイクロバルブは、前記マイクロバルブであって、前記弁座が、前記第一微小流路の端部に配され、前記第二円柱部側への前記ドーム部の移動を一定範囲内で許容する小凹部が、前記弁体と対向する前記第二円柱部の端面に配されていることを特徴とする。
【００１２】
この発明は、小凹部の深さを調節することによって、流れの方向にドーム部が押圧された際のドーム部の移動量を規制することができ、流体が順方向に流れる際の流量を好適に制御することができる。
【００１３】
また、本発明に係るマイクロバルブは、前記マイクロバルブであって、前記弁体の表面に弾性層が配されていることを特徴とする。
【００１４】
この発明は、弁体と弁座とが圧接された際、弾性層が弾性変形して圧縮されることによって、弁体と弁座との接触面積を増大してシール性をより向上することができる。
【００１５】
また、本発明に係るマイクロバルブは、前記マイクロバルブであって、前記弾性層の表面が、親水性を有することを特徴とする。
【００１６】
この発明は、弁体の表面を流れる流体との抵抗力を高めて、弁体と弁座との接触圧が小さくてもシール性を確保することができる。
【００１７】
また、本発明に係るマイクロバルブは、前記マイクロバルブであって、前記金属板、前記第一円柱部、及び前記第二円柱部が、ステンレス又はチタンからなることを特徴とする。
【００１８】
この発明は、生体適合性を有するので、生体に対して好適に使用することができる。
【００１９】
本発明に係るマイクロポンプは、圧力室と、該圧力室と連通された少なくとも２つの微小流路と、前記微小流路上にそれぞれ配された本発明に係るマイクロバルブと、を備えていることを特徴とする。
【００２０】
この発明は、本発明に係るマイクロバルブを備えているので、弁体と弁座とが接触した状態において流体の外部への漏れを好適に抑えて、マイクロバルブ前後における微小流路の一方向流れを好適に実現することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、十分な耐圧性を有してより大量かつ低コストで製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明に係る一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
本実施形態に係るマイクロポンプ１は、圧力室２と、圧力室２と連通された流入微小流路（微小流路）３及び流出微小流路（微小流路）５と、流入微小流路３上に配された流入用マイクロバルブ（マイクロバルブ）６及び流出微小流路５上に配された流出用マイクロバルブ（マイクロバルブ）７と、を備えている。
【００２３】
圧力室２は、ダイアフラム８と、図示しない駆動回路と接続された圧電素子９と、を備えている。
流入用マイクロバルブ６と流出用マイクロバルブ７とは、同一の構成を備えているので、構成についての詳細は以下、流入用マイクロバルブ６について説明する。
【００２４】
流入用マイクロバルブ６は、金属板のプレス加工によって形成された弁体１０と、弁体１０が収容される有底の凹部１１が一端１３ａに配され、かつ凹部１１の底部１１Ａから他端１３ｂまで中心軸線ＣＬに沿って貫通する第一微小流路１２が配されたステンレス又はチタン製のアウトブッシュ(第一円柱部)１３と、中心軸線ＣＬに沿って貫通して第二微小流路１５が配されて、弁体１０とともに凹部１１に圧入されたステンレス又はチタン製のインブッシュ(第二円柱部)１６と、弁体１０と対向して第二微小流路１５の端部に配された弁座１７と、を備えている。
【００２５】
弁体１０は、５μｍ以上、かつ５０μｍ以下のステンレス又はチタン製の薄板からプレス加工等の機械加工によって形成されている。この弁体１０は、プレス加工によって略半球状に滑らかに突出して形成されて弁体１０の中央に配され、弁座１７との接触の有無により第一微小流路１２と第二微小流路１５とを連通又は遮断するドーム部１８と、ドーム部１８と同心の円環状に形成されてドーム部１８の径方向外方に離間して配され、インブッシュ１６及びアウトブッシュ１３に挟持される支持部２０と、支持部２０の円周方向に延びる第一弾性部２１Ａ、及び径方向に延びる第二弾性部２１Ｂを有して、ドーム部１８と支持部２０とに接続された接続部２１と、を備えている。
【００２６】
弁体１０の表面には、親水処理がなされた金のメッキ層（弾性層）２２が配されている。なお、メッキ層の材質は、弾性を有して流体と弁体１０の母材のステンレス又はチタンとの両方に適合する材質であれば、金に限らない。
【００２７】
ドーム部１８と支持部２０とは、互いに周方向に略等間隔に離間して配された３つの接続部２１を介して接続されている。そして、ドーム部１８、支持部２０、及び接続部２１間の隙間が流体の流路となっている。第一弾性部２１Ａ及び第二弾性部２１Ｂは、一体となって板バネ状に形成されている。
【００２８】
弁座１７は、第二微小流路１５の端部がドーム部１８側に突出するようにしてインブッシュ１６側に形成されており、ドーム部１８と対向して配されている。
アウトブッシュ１３の底部１１Ａの第一微小流路１２の端部近傍には、アウトブッシュ１３側へのドーム部１８の移動を一定範囲内で許容する小凹部２３が配されている。
【００２９】
次に、本実施形態に係る流入用マイクロバルブ６及び流出用マイクロバルブ７、並びにマイクロポンプ１の作用について説明する。
まず、不図示の駆動回路を操作して圧電素子９を駆動する。これによって、ダイアフラム８が上方へ引き上げられて圧力室２内が負圧になる。このとき、流入微小流路３及び流出微小流路５から圧力室２へ向かって流体が流入しようとする。
【００３０】
このとき、流入微小流路３から流入用マイクロバルブ６に流入した流体は、第二微小流路１５を流れて弁体１０のドーム部１８を第一微小流路１２側に押圧する。この際、弁体１０の接続部２１が弾性変形し、ドーム部１８が弁座１７から離間して小凹部２３のほうに移動する。これによって、流入用マイクロバルブ６が開状態となって、流体が第一微小流路１２内を通過して圧力室２内に流入する。
【００３１】
一方、流出微小流路５から流出用マイクロバルブ７に流入した流体は、第一微小流路１２を流れてドーム部１８を弁座１７の方向に押圧する。この際、弁体１０の接続部２１が弾性変形してドーム部１８が弁座１７に押圧される。弁体１０の表面には金のメッキ層２２が配されているので、弁座１７がメッキ層２２に食い込んで面圧がさらに高まる。そのため、流出用マイクロバルブ７が閉状態となって、流体は第二微小流路１５までは流れない。
【００３２】
続いて、再度駆動回路を操作して圧電素子９を上述とは反対の方向に駆動する。これによって、ダイアフラム８が下方に押し下げられて圧力室２内の圧力が上昇する。このとき、圧力室２内の流体が、流入用マイクロバルブ６及び流出用マイクロバルブ７内へ流出しようとする。
【００３３】
このとき、流出用マイクロバルブ７の第二微小流路１５に流入した流体は、ドーム部１８を第一微小流路１２側に押圧する。この際、弁体１０の接続部２１が弾性変形してドーム部１８が弁座１７から離間して小凹部２３のほうに移動する。これによって、流出用マイクロバルブ７が開状態となって、流体が第一微小流路１２内を通過して流出微小流路５に流れていく。
【００３４】
一方、流入用マイクロバルブ６の第一微小流路１２に流入した流体は、第一微小流路１２を流れてドーム部１８を弁座１７の方向に押圧する。この際、弁体１０の接続部２１が弾性変形してドーム部１８が弁座１７に押圧される。弁体１０の表面には金のメッキ層２２が配されているので、弁座１７がメッキ層２２に食い込んで面圧がさらに高まる。そのため、流入用マイクロバルブ６が閉状態となって、流体は第二微小流路１５までは流れない。
【００３５】
この操作を繰り返すことによって、流体が、流入微小流路３から流入用マイクロバルブ６、圧力室２、流出用マイクロバルブ７を介して流出微小流路５へと流れていく。
【００３６】
この流入用マイクロバルブ６及び流出用マイクロバルブ７によれば、全体が金属からなり、アウトブッシュ１３にインブッシュ１６が圧入されて弁体１０が挟持されているので、ドーム部１８と弁座１７とが接触した状態において十分な耐圧性を有し、流体のバルブ外部への漏れを好適に抑えることができる。また、金属製なので、従来の方法よりも大量かつ低コストで製造することができる。
【００３７】
特に、弁体１０がドーム部１８を備えているので、目に見える大きさのバルブと同様に、ドーム部１８と弁座１７とを曲面同士で接触させることができ、より確実な開閉状態を実現させることができる。
【００３８】
また、弁体１０における第一弾性部２１Ａの長さに応じて接続部２１の剛性を調節することができる。したがって、弁開時にドーム部１８が流体に押圧されて第一弾性部２１Ａが弾性変形したときの弁座１７に対する移動量に対応した流路面積を流量との関係をふまえて好適に調節することができる。また、加工・組立誤差等によってドーム部１８と弁座１７とが偏心したとしても、弁閉時にドーム部１８が弁座１７に押圧される際に第二弾性部２１Ｂが弾性変形して、弁座に対して両者の中心軸線が自動的に一致する方向にドーム部１８を自己整合させることができる。
【００３９】
さらに、凹部１１の底部１１Ａに小凹部２３が配されているので、小凹部２３の深さを調節することによって、流れの方向に対するドーム部１８の移動量を規制することができ、流体が順方向に流れる際の流量を好適に制御することができる。
【００４０】
また、弁体１０の表面に金のメッキ層２２が配されているので、ドーム部１８と弁座１７とが圧接された際、メッキ層２２が弾性変形して圧縮されることによって、ドーム部１８と弁座１７との接触面積を増大してシール性をより向上することができる。
【００４１】
この際、メッキ層２２が金なので、酸やアルカリに限らず耐食性を向上することができる。また、メッキ層２２なので表面粗さが小さく親水性を高めることができ、さらに、金はもともと親水性があるうえに、親水処理がなされているので、弁体１０の表面を流れる流体の抵抗力を高めることができる。したがって、ドーム部１８と弁座１７との接触圧が小さくても高いシール性を確保することができる。
【００４２】
また、流入用マイクロバルブ６及び流出用マイクロバルブ７ともステンレス又はチタン製なので、生体との親和性も高く、生体にも十分に使用することができる。
【００４３】
また、このマイクロポンプ１によれば、上述した流入用マイクロバルブ６及び流出用マイクロバルブ７を備えているので、マイクロバルブ前後における流入微小流路３及び流出微小流路５における一方向流れを好適に実現することができる。
【００４４】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、弁座１７は、ドーム部１８側に一部が突出するようにインブッシュ１６側に形成されて第二微小流路１５の端面に配されている。また、アウトブッシュ１３の底部１１Ａには、アウトブッシュ１３側へのドーム部１８の移動を一定範囲内で許容する小凹部２３が配されている。
【００４５】
しかし、これに限らず、弁座がアウトブッシュの凹部における底部の流路端に配され、インブッシュ側へのドーム部の移動を一定範囲内で許容する小凹部が、弁体と対向するインブッシュの流路端に配されていても構わない。このとき、バルブが開状態では、流体は第一微小流路から第二微小流路の方向に流れる。
【００４６】
また、金のメッキ層２２は、弁体１０だけに限らず、アウトブッシュ１３及びインブッシュ１６の表面に施されていても構わない。これにより、よりシール性を高めることができる。
【実施例】
【００４７】
図４に示すように、ステージコントローラーＳＣと接続されたステージＳと、ステージＳ上に載置されたブッシュＢと、バルブＶと接続された真空ポンプＶＰと、バルブＶとブッシュＢとの間に液体を供給するシリンジポンプＳＰと、液体の供給圧力を検出する圧力計Ｐと、アンプＡと接続されたロードセルＲとを備えて、バルブＶとブッシュＢとの距離を調節可能な装置Ｅを使用して、両者間の流れ抵抗値を計測し、金メッキによるシール性について比較した。この際、バルブＶとブッシュＢとのそれぞれの表面に、（１）未処理、（２）軟質金メッキ層のみ、（３）軟質金メッキ層及び親水処理、（４）軟質金メッキ層及び疎水処理、（５）硬質金メッキ層のみ、（６）硬質金メッキ層及び親水処理、（７）硬質金メッキ層及び疎水処理のそれぞれを実施した。試験結果を図５に示す。
【００４８】
親水処理を施した金メッキ層の場合が最も流れ抵抗が大きく、シール性が高いことがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロポンプを示す中心軸線における断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るマイクロバルブを示す中心軸線における断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る弁体を示す平面図である。
【図４】本発明の実施例におけるマイクロバルブの性能試験装置を示す概要図である。
【図５】図４の装置を用いた試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５０】
１  マイクロポンプ
２  圧力室
３  流入微小流路（微小流路）
５  流出微小流路（微小流路）
６  流入用マイクロバルブ（マイクロバルブ）
７  流出用マイクロバルブ（マイクロバルブ）
１０  弁体
１１  凹部
１２  第一微小流路
１３  アウトブッシュ（第一円柱部）
１３ａ  一端
１３ｂ  他端
１５  第二微小流路
１６  インブッシュ（第二円柱部）
１７  弁座
１８  ドーム部
２０  支持部
２１  接続部
２１Ａ  第一弾性部
２１Ｂ  第二弾性部
２２  メッキ層（弾性層）
２３  小凹部
【図１】
0005221993.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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